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sábado, 24 de setembro de 2011

Física dos Rx - característico, freamento, efeito anódico etc

A física dos raios X Os raios X são radiações da mesma natureza da radiação gama (ondas eletromagnéticas), com características semelhantes. Só diferem da radiação gama pela origem, ou seja, os raios X não são emitidos do núcleo do átomo. Os raios X são radiações de natureza eletromagnética, que se propagam no ar (ou vácuo). Essa radiação é produzida quando ocorre o bombardeamento de um material metálico de alto número atômico (tungstênio), resultando na produção de radiação X por freamento ou ionização. Propriedades dos raios X Os raios X são produzidos quando elétrons em alta velocidade, provenientes do filamento aquecido, chocam-se com o alvo (anodo) produzindo radiação. O feixe de raios X pode ser considerado como um “chuveiro” de fótons distribuídos de modo aleatório. Os raios X possuem propriedades que os tornam extremamente úteis. Enegrecem filme fotográfico; Provocam luminescência em determinados sais metálicos; São radiação eletromagnética, portanto não são defletidos por campos elétricos ou magnéticos pois não tem carga; Tornam-se “duros” (mais penetrantes) após passarem por materiais absorvedores; Produzem radiação secundária (espalhada) ao atravessar um corpo; Propagam-se em linha reta e em todas as direções; Atravessam um corpo tanto melhor, quanto maior for a tensão (voltagem) do tubo (kV); No vácuo, propagam-se com a velocidade da luz; Obedecem a lei do inverso do quadrado da distância (1/r2), ou seja, reduz sua intensidade dessa forma; Podem provocar mudanças biológicas, que podem ser benignas ou malignas, ao interagir com sistemas biológicos. As máquinas de raios X foram projetadas de modo que um grande número de elétrons são produzidos e acelerados para atingirem um anteparo sólido (alvo) com alta energia cinética. Este fenômeno ocorre em um tubo de raios X que é um conversor de energia. Recebe energia elétrica que converte em raios X e calor. O calor é um subproduto indesejável no processo. O tubo de raios X é projetado para maximizar a produção de raios X e dissipar o calor tão rápido quanto possível. Elementos do tubo de raios X O tubo de raios X possui dois elementos principais e que serão a partir de agora objeto de estudo: cátodo e ânodo. O cátodo é o eletrodo negativo do tubo. É constituído de duas partes principais: o filamento e o copo focalizador. A função básica do cátodo é emitir elétrons e focalizá-los em forma de um feixe bem definido apontado para o anodo. Em geral, o cátodo consiste de um pequeno fio em espiral (ou filamento) dentro de uma cavidade (copo de focagem) como mostrado na figura anterior. O filamento é normalmente feito de Tungstênio (com pequeno acréscimo de Tório) Toriado, pois esta liga tem alto ponto de fusão e não vaporiza facilmente (a vaporização do filamento provoca o enegrecimento do interior do tubo e a conseqüente mudança nas características elétricas do mesmo). A queima do filamento é, talvez, a mais provável causa da falha de um tubo. O corpo de focagem serve para focalizar os elétrons que saem do cátodo e fazer com que eles “batam” no anodo e não em outras partes. A corrente do tubo é controlada pelo grau de aquecimento do filamento (cátodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais elétrons serão emitidos pelo mesmo, e maior será a corrente que fluirá entre anodo e catodo. Assim , a corrente de filamento controla a corrente entre anodo e catodo. O ânodo é o pólo positivo do tubo, serve de suporte para o alvo e atua como elemento condutor de calor. O ânodo deve ser de um material (tungstênio) de boa condutividade térmica, alto ponto de fusão e alto número atômico, de forma a otimizar a relação de perda de energia dos elétrons por radiação (raios X) e a perda de energia por aquecimento. Existem dois tipos de ânodo: ânodo fixo e ânodo giratório. Os tubos de anodo fixo são usualmente utilizados em máquinas de baixa corrente, tais como: raios X dentário, raios X portátil, máquinas de radioterapia, raios X industrial, etc. Os tubos de ânodo giratório são usados em máquinas de alta corrente, normalmente utilizadas em radiodiagnóstico. Ele permite altas correntes pois a área de impacto dos elétrons fica aumentada. Como exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja área de impacto é de 1mm x 4 mm, isto é, 4mm2. Se este alvo girar com um raio de giro igual 30mm, a área de impacto seria aproximadamente: 754mm2; nestas condições, o tubo giratório teria cerca de 200 vezes mais área do que o tubo fixo. O ânodo e o cátodo ficam acondicionados no interior de um invólucro fechado (tubo ou ampola), que está acondicionado no interior do cabeçote do RX. A ampola é geralmente constituída de vidro de alta resistência e mantida em vácuo, e tem função de promover isolamento térmico e elétrico entre ânodo e cátodo. O cabeçote contém a ampola e demais acessórios. É revestido de chumbo cuja função é de blindar a radiação de fuga e permitir a passagem do feixe de radiação apenas pela janela radiotransparente direcionando desta forma o feixe. O espaço é preenchido com óleo que atua como isolante elétrico e térmico. Radiação de reamento (Bremsstrahlung) Essa radiação é produzida quando um elétron passa próximo ao núcleo de um átomo de tungstênio, sendo atraído pelo núcleo deste e desviado de sua trajetória original. Com isto, o elétron perde uma parte de sua energia cinética original, emitindo parte dela como fótons de radiação, de alta e baixa energia e comprimento de onda diferentes, dependendo do nível de profundidade atingida pelo elétron do metal alvo. Isto significa dizer que, enquanto penetra no material, cada elétron sofre uma perda energética que irá gerar radiação (fótons) com energia e comprimento de onda também menores. Se formos considerar percentualmente a radiação produzida, veremos que 99 por cento dela é emitida como calor e somente 1% possui energia com características de radiação X. Existem situações (raras) em que alguns elétrons muito energéticos se chocam diretamente com os núcleos, convertendo toda a sua energia cinética em um fóton de alta energia e freqüência (a rigor, esta seria uma outra forma de geração de radiação, onde a energia do fóton gerado é igual à energia do elétron incidente, o que se configura como um fóton de máxima energia). Durante o bombardeamento do alvo, todas as possibilidades em termos de geração de fótons acontecem, na medida que temos interações diferentes entre elétrons incidentes com o material do alvo, gerando fótons de diferentes energias. A radiação de freamento, ou Bremsstrahlung, se caracteriza por ter uma distribuição de energia relativa aos fótons gerados, bastante ampla, como mostra a figura a seguir. Como se pode observar pelo gráfico ao lado, a maioria dos fótons obtidos possui baixa energia, sendo que somente uns poucos têm a energia equivalente à diferença de potencial (voltagem) aplicada ao tubo. Esse gráfico mostra que são gerados muitos fótons de baixa energia, o que pode ser perigoso para o paciente irradiado, pois estes fótons de baixa energia interagem com os tecidos vivos, sem contribuir para a formação da imagem radiográfica. O espectro, distribuição das energias dos fótons gerados por uma radiação de freamento, é mostrado na figura a seguir, onde se pode observar que a radiação não é monoenergética, mas sim polienergética, pois temos fótons de diferentes energias, em quantidades diferentes. Radiação característica Pelo visto anteriormente, alguns fótons interagem diretamente com os núcleos, convertendo toda sua energia em radiação, sem modificar o átomo alvo, ou seja, sem ionizá-lo. Existem situações, no entanto, em que elétron pode interagir com um átomo quebrando sua neutralidade (ionizando-o), ao retirar dele elétrons pertencentes à sua camada mais interna (K). Ao retirar o elétron da camada K, começa o processo de preenchimento dessa lacuna (busca de equilíbrio), por elétrons de camada superiores. Dependendo de camada que vem o elétron que ocupa a lacuna da camada K, teremos níveis de radiação diferenciados. Como exemplo, vamos considerar que um elétron da camada L ocupe a lacuna da camada K, emitindo uma radiação da ordem de 59 keV; se o elétron ocupante vem da camada M, a energia gerada é da ordem de 67 keV; se o elétron ocupante vem da camada N, teremos uma radiação da ordem de 69 keV. Quando se usa como alvo um material com o tungstênio, o bombardeamento por elétrons de alta energia gera uma radiação com características específicas (radiação característica), pois esse material possui um número atômico definido (bastante alto), necessitando um nível alto de energia para retirar os elétrons de sua camada K. A energia da radiação gerada por um alvo de tungstênio é da ordem de 70 keV. A condição necessária e imprescindível para que se produza a radiação característica do tungstênio é que os fótons devem ter uma energia máxima superior a 70 keV, já que a energia de ligação da camada K é da ordem de 70 keV. Como se da o processo de geração da radiação característica do tungstênio? Exemplo: Quando bombardeamos um alvo de tungstênio com elétrons submetidos a uma tensão de 100 kV, serão gerados fótons com energia de poucos keV até 100 keV, mas uma grande parte deles terão energia da ordem de 70 keV, característica do tungstênio. Cada material emite um nível definido de radiação característica, dependendo de seu número atômico, como são os casos do tungstênio (radiologia convencional) e molibidênio (mamografia), que possuem radiações características da ordem de 70 keV e 20 keV, respectivamente. Essa figura é o resultado da superposição da radiação característica do tungstênio com o espectro contínuo gerado com 100 kVp. Nela se pode observar que, além de fótons, com energia baixas e altas, temos um grande número deles com energias correspondentes somente ao tungstênio. Quando o alvo bombardeado é de molibidênio, a radiação característica se situa na faixa de 20 keV. Efeito anódico Descreve um fenômeno no qual a intensidade da radiação emitida da extremidade do cátodo do campo de raios X é maior do que aquela na extremidade do ânodo. Isso é devido ao ângulo da face do ânodo, de forma que há maior atenuação ou absorção dos raios X na extremidade do ânodo. A diferença na intensidade do feixe de raios X entre cátodo e ânodo pode variar de 30% a 50%. Na realização de estudos radiológicos do fêmur, perna, úmero, coluna lombar e torácica deve-se levar em conta a influência do efeito anódico na realização das incidências radiológicas pertinentes a estes estudos. Luciano Santa Rita Oliveira Pós-graduado em Gestão da Saúde e Admistração Hospitalar Tecnólogo em Radiologia tecnologo@lucianosantarita.pro.br

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